相關檢測技術在應變測量中的應用*

李日忠 黃俊斌 譚 波 顧宏燦

(海軍工程大學兵器工程系 武漢 430033)

1 引言

各種大型結構體(如大型船體,橋梁建筑等)通常需要監測其結構的安全狀態,結構安全狀態監測一般通過測量結構應變[1～2]、振動[3]、溫度[4]等物理量來實現。目前,測量應變常采用的傳感器是應變電阻,通過測量安裝在結構體上的應變電阻阻值來獲得結構的應變大小,應變電阻阻值Rx=R0+Δ R,Δ R為應變電阻受應變后的電阻值變化量,通常認為Δ R正比于應變ε,應變的測量精度由Δ R的測量精度決定。

2 常用測量方案

一般用電阻橋來實現電阻的高精度測量[5～6],常用的測量應變電阻阻值的方案如圖1所示。

圖1中,采用電阻橋來測量應變電阻Rx的阻值,其中R1=R2=R3=R0,電阻橋直流偏置電壓Vb,儀表放大器(In-amp)的增益為G,儀表放大器輸出電壓:

圖1 應變電阻測量方案

儀表放大器輸出電壓Vs經低通濾波器(Lowpass filter)濾波后由ADC轉化為數字信號,送入CPU中處理,整個系統能實現自動化測量和控制。這是目前最常用的結構體應變測量方案,能滿足一般的測量要求,但如果對應變測量精度要求高時,此方案存在兩個方面的問題:1)環境電磁干擾[2],應變電阻R x和測試電路的連接電纜一般較長,容易引入環境的電磁干擾,在一些惡劣的電磁環境(如艦船、電站等)中,這種干擾尤為明顯,而且干擾噪聲的頻率低(如50Hz工頻干擾),難以用濾波器濾除;2)儀表放大器存在輸入失調電壓,且隨環境溫度變化,給測量帶來直流誤差[7～8],雖然目前高性能的儀表放大器輸入失調電壓很小,但在測量精度要求高的場合,其誤差影響仍不可忽略。文獻[8]提出了一種多通道測量方案來消除放大器失調誤差引起的測量誤差,但方案中應變片等元件的布設過于復雜,不利于工程應用。本文提出用相關檢測技術來測量應變電阻阻值,能有效抑制環境電磁干擾和放大器的直流誤差。

3 相關檢測方案

為了減小環境電磁干擾和儀表放大器輸入失調電壓的影響,可以給電阻橋加交流調制電壓,使得應變電阻阻值變化量 Δ R引起的電壓信號Vs頻率與環境電磁干擾和儀表放大器輸入失調電壓的頻率顯著不同,從而可以用相關檢測技術精確的測量出Δ R。采用相關檢測技術的測量方案如圖2所示,偏置電壓Vb改為交流信號電壓,由DSP按特定頻率生成。圖2中儀表放大器輸出Vo由3部分構成:

其中,Vs(t)為信號電壓,Vn(t)為各種電磁干擾和電路噪聲引起的噪聲電壓,Vd為儀表放大器輸入失調電壓引起的直流誤差電壓。設偏置電壓Vb(t)=Vb0cos(ωst+φ0),則信號電壓

圖2 相關檢測技術測量應變電阻的方案

4 相關運算求解 Δ R

DSP中,將ADC采集到的儀表放大器輸出信號Vo(t)和一對正交參考信號Vr1(t)=cos(ωst)和Vr2(t)=sin(ωst)作相關運算。Vo(t)和余弦參考信號Vr1(t)的相關函數:

5 測量系統噪聲分析

結構體的應變是個準靜態物理量,為了獲得精確的測量結果,在測量系統中要盡可能的抑制噪聲、干擾和各種測量誤差。用電阻橋測量應變電阻的測量系統中,影響測量準確性的因素主要有電阻熱噪聲、放大器噪聲(在低頻段主要體現為1/f噪聲)、環境電磁干擾、放大器直流誤差等,由于放大器的1/f噪聲、環境工頻電磁干擾、放大器直流誤差都集中在低頻段,和應變信號頻率接近,用圖1方案中放大器后接低通濾波器的方法很難獲得很高的信噪比。

在圖2的相關檢測方案中,將需要測量的應變電阻信息調制到角頻率ωs頻段,從而避開了低頻的1/f噪聲、環境工頻電磁干擾和放大器直流誤差,測量精度得以提高。相關運算等效于一個帶寬非常窄的帶通濾波器,在相關時間T足夠長的情況下,從式(4)可以看出,低頻噪聲、干擾、直流誤差和參考信號的相關運算結果趨近零,從而能顯著抑制這些噪聲和干擾,提高測量精度。

6 結語

從以上分析可知,采用相關檢測技術的應變電阻測量方案(圖2)相比常用的測量方案(圖1)能顯著抑制電路1/f噪聲、環境工頻電磁干擾和放大器直流誤差,測量精度得以提高。

另外,從成本方面考慮,雖然圖2的方案要增加一個DAC電路,電路成本有所提高,但此方案不需要調節電路直流零位,自動化測量程度提高;抗環境電磁干擾能力強,對連接傳感器(應變電阻)的電纜及其布線要求降低。所以,采用相關檢測技術的測量方案能大幅度降低人工成本和電纜成本,整體成本得以降低。

[1]趙武英,吳學杰,馮小麗,等.應用于橋梁健康監測中的應變測量系統[J].工業控制計算機,2008,21(9):69～70

[2]張愛恩.海洋結構物應變測量誤差分析及修正措施[J].中國海洋平臺,2003,18(1):39～41

[3]Massimo Viscardi,Leonardo Lecce.An integrated system for active vibro-acoustic control and damage detection on a typical aeronautical structure[C]//Proc.of the 2002 IEEE International Conference on Control Applications,Glasgow,U.K,2002:477～482

[4]邸蓉.大型結構應變測量技術研究[J].機械工程與自動化,2005(5):58～59

[5]劉寶華.多通道高精度應變測量技術研究[J].計量學報,2003,24(3):205～210